基于離散變量的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，受力合理，覆蓋跨度大，而且能提供各種優(yōu)美的造型，已成為目前最有發(fā)展前景的空間結(jié)構(gòu)型式之一。其中，球面網(wǎng)殼，又稱穹頂，是目前我國(guó)應(yīng)用最多的一種網(wǎng)殼形式。球面網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法加重了設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)受時(shí)間和費(fèi)用的限制難以進(jìn)行多方案比較，這樣往往導(dǎo)致最終的設(shè)計(jì)方案并非是最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。雖然國(guó)內(nèi)有些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，但大多都采用滿應(yīng)力優(yōu)化技術(shù)，只能有效應(yīng)用于約束條件較少和簡(jiǎn)單的

2、結(jié)構(gòu)，對(duì)球面網(wǎng)殼這種結(jié)構(gòu)，效果并不好。單層球面網(wǎng)殼的每根桿件的有限元力學(xué)計(jì)算模型為空間梁?jiǎn)卧?，其承載力不僅取決于桿件的強(qiáng)度，而且還取決于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。在單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須考慮其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定以及幾何尺寸等約束條件。同時(shí)，單層球面網(wǎng)殼的每根桿件還要符合現(xiàn)有的規(guī)格和型號(hào)，即單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于離散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是應(yīng)用最優(yōu)化技術(shù)，尋找在滿足各種約束條件下的最優(yōu)解。與傳統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)相比，由于其具有設(shè)計(jì)合理、節(jié)省原材料等特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外工程界的廣泛重視。目前，國(guó)內(nèi)外基于連續(xù)變量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化已趨成熟，其中基于準(zhǔn)則法的滿應(yīng)力設(shè)計(jì)法得到了廣泛的應(yīng)用，基于離散變量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化也取得了一定的進(jìn)展，而離散變量的形狀優(yōu)化仍限于理論研究階段，距實(shí)際工程應(yīng)用尚有一段距離。本文針對(duì)球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用改進(jìn)的離散變量形狀優(yōu)化的兩級(jí)算法，對(duì)球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析比較，主要內(nèi)容有： (1)根

4、據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變量除了桿件截面積和結(jié)構(gòu)矢高以外，在優(yōu)化過程中增加節(jié)點(diǎn)體積為設(shè)計(jì)變量，以桿件和節(jié)點(diǎn)的總重量為目標(biāo)函數(shù)，約束條件考慮桿件強(qiáng)度與穩(wěn)定，剛度條件及尺寸要求等，建立了適用于球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的更為全面合理的數(shù)學(xué)模型。 (2)研究了離散變量形狀優(yōu)化的兩級(jí)算法，即截面級(jí)采用相對(duì)差商法，形狀級(jí)優(yōu)化采用改進(jìn)的復(fù)形法。針對(duì)復(fù)形法應(yīng)用于大規(guī)模優(yōu)化問題重分析次數(shù)多，計(jì)算量大且易于陷入死循環(huán)的缺點(diǎn)，采用將模態(tài)搜索法的搜索策略引入到復(fù)形法

5、中，當(dāng)復(fù)形法找到最好點(diǎn)時(shí)，在最好點(diǎn)附近進(jìn)行一次模態(tài)搜索，如有更好的可行點(diǎn)，則代替最好點(diǎn)形成新的復(fù)形，加快了收斂，并可防止迭代過程陷入死循環(huán)。 (3)采用FORTRAN語言編寫球面網(wǎng)殼形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，并與大型有限元分析軟件ALGOR連接，利用ALGOR的結(jié)構(gòu)分析功能，對(duì)凱威特型球面網(wǎng)殼進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明采用改進(jìn)的兩級(jí)優(yōu)化算法能夠有效地減少迭代次數(shù)，提高收斂效率，并能得到更好的最優(yōu)解。 (4)本文對(duì)六種球面網(wǎng)